Oxygen evolution reaction dynamics, faradaic charge efficiency, and the active metal redox states of Ni-Fe oxide water splitting electrocatalysts

Journal of the American Chemical Society

Volumn 138, Issue 17, 2016, Pages 5603-5614

  Görlin, Mikaela ^a   Chernev, Petko ^b   De Araújo, Jorge Ferreira ^a   Reier, Tobias ^a   Dresp, Sören ^a   Paul, Benjamin ^a   Krähnert, Ralph ^a   Dau, Holger ^b   Strasser, Peter ^a  

^a TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN   (Germany)

^b FREIE UNIVERSITÄT BERLIN   (Germany)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

ATOMS; CATALYSIS; CATALYST ACTIVITY; CATALYSTS; CATALYTIC OXIDATION; EFFICIENCY; ELECTROCATALYSTS; ELECTROLYSIS; MASS SPECTROMETRY; METALS; OXIDATION; X RAY ABSORPTION SPECTROSCOPY;

CATALYTIC CONDITIONS; CATALYTICALLY-ACTIVE METALS; DIFFERENTIAL ELECTROCHEMICAL MASS SPECTROMETRY; FARADAIC EFFICIENCIES; KINETIC COMPETITIONS; LOCAL ATOMIC STRUCTURES; OXYGEN EVOLUTION REACTION; PRODUCT MOLECULES;

NICKEL;

FERRIC OXIDE; NANOMATERIAL; NICKEL; WATER;

ARTICLE; CATALYSIS; CATALYST; ELECTROCHEMISTRY; ELECTRON TRANSPORT; MASS SPECTROMETRY; OXIDATION REDUCTION STATE; OXYGEN ENHANCEMENT RATIO; OXYGEN EVOLUTION; POTENTIOMETRY; QUANTITATIVE ANALYSIS; REACTION ANALYSIS; SCANNING ELECTRON MICROSCOPY; STEADY STATE; STOICHIOMETRY; SURFACE PROPERTY; X RAY ABSORPTION SPECTROSCOPY;

EID: 84968750690     PISSN: 00027863     EISSN: 15205126     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jacs.6b00332     Document Type: Article

References (91)

1. Nocera, D. G. Inorg. Chem. 2009, 48, 10001.
2. Dau, H.; Limberg, C.; Reier, T.; Risch, M.; Roggan, S.; Strasser, P. ChemCatChem 2010, 2, 724.
3. Trasatti, S. J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1980, 111, 125.
4. de Levie, R. J. Electroanal. Chem. 1999, 476, 92.
5. Walter, M. G.; Warren, E. L.; McKone, J. R.; Boettcher, S. W.; Mi, Q.; Santori, E. A.; Lewis, N. S. Chem. Rev. 2010, 110, 6446.
6. Man, I. C.; Su, H. Y.; Calle-Vallejo, F.; Hansen, H. A.; Martinez, J. I.; Inoglu, N. G.; Kitchin, J.; Jaramillo, T. F.; Norskov, J. K.; Rossmeisl, J. ChemCatChem 2011, 3, 1159.
7. Subbaraman, R.; Tripkovic, D.; Chang, K. C.; Strmcnik, D.; Paulikas, A. P.; Hirunsit, P.; Chan, M.; Greeley, J.; Stamenkovic, V.; Markovic, N. M. Nat. Mater. 2012, 11, 550.
8. Liao, P.; Keith, J. A.; Carter, E. A. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 13296.
9. Singh, A.; Spiccia, L. Coord. Chem. Rev. 2013, 257, 2607.
10. McCrory, C. C. L.; Jung, S.; Peters, J. C.; Jaramillo, T. F. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 16977.
11. Hu, S.; Xiang, C.; Haussener, S.; Berger, A. D.; Lewis, N. S. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 2984.
12. Jin, J.; Walczak, K.; Singh, M. R.; Karp, C.; Lewis, N. S.; Xiang, C. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 3371.
13. Frydendal, R.; Paoli, E. A.; Knudsen, B. P.; Wickman, B.; Malacrida, P.; Stephens, I. E. L.; Chorkendorff, I. ChemElectroChem 2014, 1, 2075.
14. Trotochaud, L.; Mills, T. J.; Boettcher, S. W. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 931.
15. Burke, M. S.; Kast, M. G.; Trotochaud, L.; Smith, A. M.; Boettcher, S. W. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 3638.
16. Miller, E. L.; Rocheleau, R. E. J. Electrochem. Soc. 1997, 144, 3072.
17. Kleiman-Shwarsctein, A.; Hu, Y. S.; Stucky, G. D.; McFarland, E. W. Electrochem. Commun. 2009, 11, 1150.
18. Landon, J.; Demeter, E.; Inoglu, N.; Keturakis, C.; Wachs, I. E.; Vasic, R.; Frenkel, A. I.; Kitchin, J. R. ACS Catal. 2012, 2, 1793.
19. Trotochaud, L.; Ranney, J. K.; Williams, K. N.; Boettcher, S. W. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 17253.
20. Smith, R. D. L.; Prevot, M. S.; Fagan, R. D.; Trudel, S.; Berlinguette, C. P. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 11580.
21. Gong, M.; Li, Y.; Wang, H.; Liang, Y.; Wu, J. Z.; Zhou, J.; Wang, J.; Regier, T.; Wei, F.; Dai, H. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 8452.
22. Hunter, B. M.; Blakemore, J. D.; Deimund, M.; Gray, H. B.; Winkler, J. R.; Müller, A. M. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 13118.
23. Chen, J. Y. C.; Miller, J. T.; Gerken, J. B.; Stahl, S. S. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 1382.
24. Oliver-Tolentino, M. A.; Vázquez-Samperio, J.; Manzo-Robledo, A.; González-Huerta, R. d. G.; Flores-Moreno, J. L.; Ramírez-Rosales, D.; Guzmán-Vargas, A. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 22432.
25. Gong, M.; Dai, H. Nano Res. 2015, 8, 23.
26. Feng, Y.; Zhang, H.; Zhang, Y.; Li, X.; Wang, Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 9203.
27. Smith, A. M.; Trotochaud, L.; Burke, M. S.; Boettcher, S. W. Chem. Commun. 2015, 51, 5261.
28. Trotochaud, L.; Young, S. L.; Ranney, J. K.; Boettcher, S. W. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 6744.
29. Dionigi, F.; Reier, T.; Pawolek, Z.; Gliech, M.; Strasser, P. ChemSusChem 2016, 9, 1.
30. Louie, M. W.; Bell, A. T. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 12329.
31. Friebel, D.; Louie, M. W.; Bajdich, M.; Sanwald, K. E.; Cai, Y.; Wise, A. M.; Cheng, M.-J.; Sokaras, D.; Weng, T.-C.; Alonso-Mori, R.; Davis, R. C.; Bargar, J. R.; Nørskov, J. K.; Nilsson, A.; Bell, A. T. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 1306.
32. Hong, D. C.; Yamada, Y.; Nagatomi, T.; Takai, Y.; Fukuzumi, S. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 19572.
33. Wang, L.; Dionigi, F.; Nguyen, N. T.; Kirchgeorg, R.; Gliech, M.; Grigorescu, S.; Strasser, P.; Schmuki, P. Chem. Mater. 2015, 27, 2360.
34. Luo, J.; Im, J.-H.; Mayer, M. T.; Schreier, M.; Nazeeruddin, M. K.; Park, N.-G.; Tilley, S. D.; Fan, H. J.; Grätzel, M. Science 2014, 345, 1593.
35. Hu, C.-C.; Wu, Y.-R. Mater. Chem. Phys. 2003, 82, 588.
36. Qiu, Y.; Xin, L.; Li, W. Langmuir 2014, 30, 7893.
37. Yu, X.; Zhang, M.; Yuan, W.; Shi, G. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 6921.
38. Li, X.; Walsh, F. C.; Pletcher, D. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 1162.
39. Kim, S.; Tryk, D. A.; Antonio, M. R.; Carr, R.; Scherson, D. J. Phys. Chem. 1994, 98, 10269.
40. del Arco, M.; Malet, P.; Trujillano, R.; Rives, V. Chem. Mater. 1999, 11, 624.
41. Balasubramanian, M.; Melendres, C. A.; Mini, S. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 4300.
42. Trzesń iewski, B. J.; Diaz-Morales, O.; Vermaas, D. A.; Longo, A.; Bras, W.; Koper, M. T. M.; Smith, W. A. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 15112.
43. Morales-Guio, C. G.; Mayer, M. T.; Yella, A.; Tilley, S. D.; Grätzel, M.; Hu, X. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 9927.
44. Wang, D.; Zhou, J.; Hu, Y.; Yang, J.; Han, N.; Li, Y.; Sham, T.-K. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 19573.
45. Ogrady, W. E.; Pandya, K. I.; Swider, K. E.; Corrigan, D. A. J. Electrochem. Soc. 1996, 143, 1613.
46. Chen, J. Y. C.; Dang, L.; Liang, H.; Bi, W.; Gerken, J. B.; Jin, S.; Alp, E. E.; Stahl, S. S. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 15090.
47. Bates, M. K.; Jia, Q.; Doan, H.; Liang, W.; Mukerjee, S. ACS Catal. 2016, 6, 155.
48. Klaus, S.; Cai, Y.; Louie, M. W.; Trotochaud, L.; Bell, A. T. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 7243.
49. Risch, M.; Klingan, K.; Heidkamp, J.; Ehrenberg, D.; Chernev, P.; Zaharieva, I.; Dau, H. Chem. Commun. 2011, 47, 11912.
50. Zaharieva, I.; Chernev, P.; Risch, M.; Klingan, K.; Kohlhoff, M.; Fischer, A.; Dau, H. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 7081.
51. Niederberger, M.; Garnweitner, G.; Buha, J.; Polleux, J.; Ba, J. H.; Pinna, N. J. Sol-Gel Sci. Technol. 2006, 40, 259.
52. Pinna, N.; Niederberger, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47, 5292.
53. Jusys, Z.; Massong, H.; Baltruschat, H. J. Electrochem. Soc. 1999, 146, 1093.
54. Wolter, O.; Heitbaum, J. Berichte der Bunsengesellschaft für physikalische Chemie 1984, 88, 2.
55. Baltruschat, H. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2004, 15, 1693.
56. Barra, M.; Haumann, M.; Loja, P.; Krivanek, R.; Grundmeier, A.; Dau, H. Biochemistry 2006, 45, 14523.
57. Ankudinov, A. L.; Ravel, B.; Rehr, J. J.; Conradson, S. D. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1998, 58, 7565.
58. Rehr, J. J.; Albers, R. C. Rev. Mod. Phys. 2000, 72, 621.
59. Yeo, B. S.; Bell, A. T. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 8394.
60. Trotochaud, L.; Boettcher, S. W. Scr. Mater. 2014, 74, 25.
61. Fominykh, K.; Chernev, P.; Zaharieva, I.; Sicklinger, J.; Stefanic, G.; Döblinger, M.; Müller, A.; Pokharel, A.; Böcklein, S.; Scheu, C.; Bein, T.; Fattakhova-Rohlfing, D. ACS Nano 2015, 9, 5180.
62. Batchellor, A. S.; Boettcher, S. W. ACS Catal. 2015, 5, 6680.
63. Görlin, M.; Gliech, M.; Ferreira de Araújo, J.; Dresp, S.; Bergmann, A.; Strasser, P. Catal. Today 2015, 262, 65.
64. Lu, X.; Zhao, C. Nat. Commun. 2015, 6, 6616.
65. Smith, R. D. L.; Berlinguette, C. P. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 1561.
66. Risch, M.; Ringleb, F.; Kohlhoff, M.; Bogdanoff, P.; Chernev, P.; Zaharieva, I.; Dau, H. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 661.
67. González-Flores, D.; Sánchez, I.; Zaharieva, I.; Klingan, K.; Heidkamp, J.; Chernev, P.; Menezes, P. W.; Driess, M.; Dau, H.; Montero, M. L. Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 2472.
68. Iwasaki, T.; Yoshii, H.; Nakamura, H.; Watano, S. Appl. Clay Sci. 2012, 58, 120.
69. Kim, M. S.; Hwang, T. S.; Kim, K. B. J. Electrochem. Soc. 1997, 144, 1537.
70. Wehrens-Dijksma, M.; Notten, P. H. L. Electrochim. Acta 2006, 51, 3609.
71. Shangguan, E.; Tang, H.; Chang, Z.; Yuan, X.-Z.; Wang, H. Int. J. Hydrogen Energy 2011, 36, 10057.
72. Stern, L.-A.; Hu, X. Faraday Discuss. 2014, 176, 363.
73. Hall, D. S.; Lockwood, D. J.; Bock, C.; MacDougall, B. R. Proc. R. Soc. London, Ser. A 2015, 471, 1.
74. Eggleton, R. A.; Fitzpatrick, R. W. Clays Clay Miner. 1988, 36, 111.
75. Michel, F. M.; Ehm, L.; Antao, S. M.; Lee, P. L.; Chupas, P. J.; Liu, G.; Strongin, D. R.; Schoonen, M. A. A.; Phillips, B. L.; Parise, J. B. Science 2007, 316, 1726.
76. Manceau, A. Clay Miner. 2009, 44, 19.
77. Michel, F. M.; Barrón, V.; Torrent, J.; Morales, M. P.; Serna, C. J.; Boily, J.-F.; Liu, Q.; Ambrosini, A.; Cismasu, A. C.; Brown, G. E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2010, 107, 2787.
78. Das, S.; Hendry, M. J.; Essilfie-Dughan, J. Environ. Sci. Technol. 2011, 45, 268.
79. Gilbert, B.; Erbs, J. J.; Penn, R. L.; Petkov, V.; Spagnoli, D.; Waychunas, G. A. Am. Mineral. 2013, 98, 1465.
80. Mansour, S. A. A. Thermochim. Acta 1993, 228, 173.
81. Rives, V.; Angeles Ulibarri, M. a. Coord. Chem. Rev. 1999, 181, 61.
82. Wang, K.; He, X.; Li, X.; Jiang, J.; Sun, Y. Rare Met. 2009, 28, 500.
83. Bergmann, A.; Martinez-Moreno, E.; Teschner, D.; Chernev, P.; Gliech, M.; de Araujo, J. F.; Reier, T.; Dau, H.; Strasser, P. Nat. Commun. 2015, 6, 1.
84. Capehart, T. W.; Corrigan, D. A.; Conell, R. S.; Pandya, K. I.; Hoffman, R. W. Appl. Phys. Lett. 1991, 58, 865.
85. Pandya, K. I.; Ogrady, W. E.; Corrigan, D. A.; McBreen, J.; Hoffman, R. W. J. Phys. Chem. 1990, 94, 21.
86. Gorlin, Y.; Chung, C.-J.; Benck, J. D.; Nordlund, D.; Seitz, L.; Weng, T.-C.; Sokaras, D.; Clemens, B. M.; Jaramillo, T. F. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4920.
87. Seitz, L. C.; Hersbach, T. J. P.; Nordlund, D.; Jaramillo, T. F. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 4178.
88. Doyle, R. L.; Godwin, I. J.; Brandon, M. P.; Lyons, M. E. G. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 13737.
89. Cherevko, S.; Zeradjanin, A. R.; Keeley, G. P.; Mayrhofer, K. J. J. J. Electrochem. Soc. 2014, 161, H822.
90. Jolivet, J.-P.; Tronc, E.; Chanéac, C. C. R. Geosci. 2006, 338, 488.
91. Sadeghi, O.; Zakharov, L. N.; Nyman, M. Science 2015, 347, 1359.